CN104032245A - 一种超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大功率发电机转子槽楔材料领域，具体地说是一种超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔的制备工艺。本发明对CuCrNiSi合金槽楔的制备工艺进行改进，通过引入连续挤压工艺，实现细化晶粒，之后再通过微冷变形及时效处理，实现高强高导CuCrNiSi合金槽楔的制备。该工艺能显著细化CuCrNiSi合金的晶粒，并通过晶粒细化、形变强化以及析出强化，提高槽楔的力学性能，同时保证较高的电学性能，进而制备性能优良的CuCrNiSi槽楔材料。利用连续挤压显著细化CuCrNiSi合金的晶粒，形成超细晶CuCrNiSi合金，使其在保持导电率基本不变以及较低的冷变形量的条件下，力学性能得到显著提高。

Description

一种超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺

技术领域

本发明涉及大功率发电机转子槽楔材料领域，具体地说是一种超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔的制备工艺。

背景技术

发电机转子是汽轮发电机组中最为关键的核心构件，铜合金槽楔镶嵌在转子的内表面，承接转子线槽内的线圈并随转子高速旋转。在旋转过程中，槽楔需承受巨大的离心力，需要具备较高的强度、较好的延展性和优异的导电率。同时，在非正常条件下槽楔还需承受由短路所造成的温升。因此，除具备良好的力学性能外，还需要具备一定的高温性能。随着汽轮发电机组技术的发展，对铜合金槽楔的性能需求越来越高。从上个世纪60年带开始，槽楔主要采用的是CuCo2BeZr合金，但由于合金存在Be等环境不友好元素，一直受到诟病。

后期，我们国家开展逐步发展CuNiCrSi系列合金，但是该系列合金在较低冷变形量的条件下的各项性能显著低于CuCo2BeZr合金，尤其是在抗拉强度方面。而如果通过单纯的加大冷变形量来提高合金的强度，又会对槽楔的安全性产生较大的影响。因此，如何保证不损害导电率的条件下，通过较低的冷变形来获得高强度CuNiCrSi合金成为一大难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，利用连续挤压显著细化CuCrNiSi合金的晶粒，形成超细晶CuCrNiSi合金，使其在保持导电率基本不变以及较低的冷变形量的条件下，力学性能得到显著提高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，具体制备步骤如下：

(1)采用真空感应熔炼CuCrNiSi铸锭；

(2)在900～940℃之间挤压成棒材，挤压比为6.0～10.0，水淬至室温；

(3)棒材进行连续挤压处理，挤压成接近成品形状槽楔，挤压比控制在0.6～1.2，水冷至室温；

(4)连续挤压后，槽楔经过加工率为0～6％的冷拉拔处理，形成成品槽楔形状；

(5)成品形状的槽楔在450～520℃进行1～3小时的时效处理。

所述的超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，按重量百分比计，CuCrNiSi合金的化学成分为，0<Cr≤0.30％；1.5<Ni≤2.4％；0.6<Si≤1.5％；0<Zr≤0.4％，其余杂质含量总和≤0.30％，Cu余量。

所述的超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，连续挤压处理后，CuCrNiSi合金槽楔的晶粒显著细化，晶粒尺寸范围为0.2～10μm。

所述的超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，槽楔的冷变形量较低，仅为0～6％。

所述的超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，经过冷拉拔变形和时效处理后，屈服强度范围为650～700MPa，抗拉强度范围为680～750MPa，延伸率范围为14～18％，导电率30～40％IACS。

本发明的设计思想是：

本发明对CuCrNiSi合金槽楔的制备工艺进行改进，通过引入连续挤压工艺，实现细化晶粒，之后再通过微冷变形及时效处理，实现高强高导CuCrNiSi合金槽楔的制备。该工艺能显著细化CuCrNiSi合金的晶粒，并通过晶粒细化、形变强化以及析出强化，提高槽楔的力学性能，同时保证较高的电学性能，进而制备性能优良的CuCrNiSi槽楔材料。

本发明的优点及有益效果在于：

1、本发明通过采用连续挤压工艺，CuCrNiSi合金的晶粒得到明显细化。

2、本发明通过采用连续挤压和冷变形时效处理，使得CuCrNiSi合金的力学性能得到明显提高，并且导电率没有显著降低。

3、本发明通过对CuCrNiSi合金进行连续挤压后，仅需很小的冷变形量，甚至无需进行冷变形，在时效后仍然获得较高的力学性能。

附图说明

图1为本发明超细晶高性能槽楔制备工艺流程图。

图2为本发明超细晶CuCrNiSi槽楔的显微组织照片。

图3为普通工艺生产的CuCrNiSi槽楔的显微组织照片。

具体实施方式

在本发明的具体实施方式中，超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，具体步骤如下：

(1)采用真空感应熔炼CuCrNiSi铸锭；

(2)在900～940℃之间挤压成棒材，挤压比为6.0～10.0，水淬至室温；

(3)棒材进行连续挤压处理，挤压成接近成品形状槽楔，挤压比控制在0.6～1.2，水冷至室温；

在通过连续挤压设备进行连续挤压的过程中，挤压轮的转速控制在1～10rpm，模具初始温度400±20℃，CuCrNiSi合金在模具出口处的温度为500±20℃。

(4)连续挤压后，槽楔经过加工率为0～6％(优选为1～4％)的冷拉拔处理，形成成品槽楔形状；

(5)成品形状的槽楔进行450～520℃保温1～3小时的时效处理。

其中，按重量百分比计，CuCrNiSi合金的化学成分为，0<Cr≤0.30％(优选为0.15≤Zr≤0.25％)；1.5<Ni≤2.4％；0.6<Si≤1.5％；0<Zr≤0.4％(优选为0.15≤Zr≤0.35％，其余杂质含量总和≤0.30％，Cu余量。连续挤压处理后，CuCrNiSi合金的晶粒显著细化，晶粒尺寸在0.2～10.0μm范围内(获得最优性能的晶粒尺寸范围为0.5～5.0μm)。

本发明CuCrNiSi合金的化学成分中，采用特定含量的Zr、Cr，并与Ni、Si、协同作用增加合金的力学性能。这是因为已有的研究结果表明，含有Cr和Zr的Cu合金进行连续挤压过程中，会有弥散的纳米级的单质Cr、富Cr相以及CuCr₂Zr相析出，这些弥散的析出相不仅本身会提高合金的力学性能，而且也能够增加后续冷变形的增强效果。

一般认为，在合金固溶处理后，采用较大的冷变形，使合金内部增加位错、层错、空位和晶格畸变等晶体缺陷，使合金在时效过程中，大大增加第二相细小强化相析出时形核的核心位置和数量，析出相更加细小，更弥散分布，从而提高了合金时效后的性能。但是，过大的冷变形在提升强度的同时，却在合金内部产生大量的缺陷，而这些缺陷在随后的时效过程中不能被完全消除，降低了槽楔在使用过程中的安全性。因此，在本发明中，提高槽楔性能主要通过晶粒细化来完成，槽楔的冷变形量控制极低，仅在0～6％之间，从而保证槽楔的可靠性。

经过冷拉拔变形和时效处理后，屈服强度范围为650～700MPa，抗拉强度范围为680～750MPa，延伸率范围为14～18％，导电率30～40％IACS，形成超细晶高强高导CuCrNiSi合金槽楔。

下面通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。

实施例1

采用纯铜、铜铬中间合金、纯锆以及纯Ni等原材料进行真空冶炼，合金化学成分见表1。

表1合金的化学成分(wt.％)

合金	Ni	Cr	Si	Zr	Cu
						1#	2.10	0.10	0.8	0.25	余量

具体的生产工艺如图1，实际操作步骤如下：

(1)铸锭利用热挤压制备CuCrNiSi合金棒材，热挤压温度900～940℃，保温时间1～3h(本实施例中，热挤压温度910℃，时间2h)，挤压比为6.0～10.0(本实施例中，挤压比为8.0)，水淬至室温；

(2)合金棒材进行连续挤压处理，挤压后形成槽楔坯料，挤压比为0.6～1.2(本实施例中，连续挤压出口尺寸为成品槽楔尺寸，挤压比为1)，水冷至室温；

在通过连续挤压设备进行连续挤压的过程中，挤压轮的转速控制在4rpm，模具初始温度420℃，CuCrNiSi合金在模具出口处的温度约为500℃。

(3)连续挤压后，槽楔坯料经过加工率为0～6％(本实施例为3％，即未经过冷变形)的冷拉拔成半成品槽楔；其中，加工率＝(冷拉拔前截面积-冷拉拔后截面积)/冷拉拔前截面积；

(4)半成品槽楔在450～520℃时效处理1～3h(本实施例中，时效处理温度480℃，时间2h)，获得CuCrNiSi槽楔。

图2为成品CuCrNiSi槽楔的显微组织图，从图中可以看出，合金的晶粒较为均匀，晶粒尺寸仅为3～5μm。而未经连续挤压槽楔的微观组织(除连续挤压工艺外，其余所有工艺和参数均与实施案例1相同)见图3，其晶粒尺寸约为30μm左右，为超细晶CuCrNiSi槽楔的10倍。这种显著的晶粒细化将使得槽楔的力学性能得到较大的提高，成品槽楔的力学性能及电学性能测试结果见表2。从表中可以看出，经过连续挤压后处理，CuCrNiSi槽楔的力学性能较高，同时导电率也保持在较高的水平。

表2超细晶CuCrNiSi槽楔的力学性能及电学性能

实施例2

采用纯铜、铜铬中间合金、纯锆以及纯Ni等原材料进行真空冶炼，合金化学成分见表3。

表3合金的化学成分(wt.％)

合金	Ni	Cr	Si	Zr	Cu
						2#	1.9	0.12	0.7	0.12	余量

具体步骤如下：

(1)铸锭利用热挤压制备CuCrNiSi合金棒材，热挤压温度920℃，保温时间2h，挤压比为9.0，水淬至室温；

(2)合金棒材进行连续挤压处理，挤压后形成槽楔坯料，挤压比为0.9，水冷至室温；在通过连续挤压设备进行连续挤压的过程中，挤压轮的转速控制在4rpm，模具初始温度420℃，CuCrNiSi合金在模具出口处的温度约为500℃；

(3)连续挤压后的槽楔不经冷变形处理；

(4)槽楔在500℃时效处理3h炉冷，获得高性能CuCrNiSi成品槽楔。

该工艺条件下获得的CuCrNiSi成品槽楔的微观组织与实施案例1中相同，晶粒尺寸也没有明显变化，均为3～5μm左右。表4给出了合金的力学性能及电学性能测试结果。可以看出，经过冷变形及时效处理，铜铬锆合金焊缝屈服和抗拉强度与基体相近，并且导电率没有显著降低。

表4铜铬锆合金焊缝与基体力学及电学性能对比

实施例结果表明，本发明对CuCrNiSi槽楔的工艺改进是有效的，通过对CuCrNiSi合金进行连续挤压处理显著细化晶粒，之后进行微冷变形和时效处理，通过晶粒细化即可获得高性能槽楔材料。该工艺可显著的提高CuCrNiSi合金的力学性能，并保持较高的电学性能。

Claims (5)

1.一种超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，其特征在于，具体制备步骤如下：

(1)采用真空感应熔炼CuCrNiSi铸锭；

(2)在900～940℃之间挤压成棒材，挤压比为6.0～10.0，水淬至室温；

(3)棒材进行连续挤压处理，挤压成接近成品形状槽楔，挤压比控制在0.6～1.2，水冷至室温；

(4)连续挤压后，槽楔经过加工率为0～6％的冷拉拔处理，形成成品槽楔形状；

(5)成品形状的槽楔在450～520℃进行1～3小时的时效处理。

2.按照权利要求1所述的超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，其特征在于，按重量百分比计，CuCrNiSi合金的化学成分为，0<Cr≤0.30％；1.5<Ni≤2.4％；0.6<Si≤1.5％；0<Zr≤0.4％，其余杂质含量总和≤0.30％，Cu余量。

3.按照权利要求1所述的超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，其特征在于，连续挤压处理后，CuCrNiSi合金槽楔的晶粒显著细化，晶粒尺寸范围为0.2～10μm。

4.按照权利要求1所述的超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，其特征在于，槽楔的冷变形量较低，仅为0～6％。

5.按照权利要求1所述的超细晶高性能CuCrNiSi合金槽楔制备工艺，其特征在于，经过冷拉拔变形和时效处理后，屈服强度范围为650～700MPa，抗拉强度范围为680～750MPa，延伸率范围为14～18％，导电率30～40％IACS。